23. Базовые понятия операционных систем. Процессы и потоки. Управление памятью.

Процессы

Все современные компьютеры могут выполнять одновременно несколько операций. Так, одновременно с запущенной пользователем программой может выполняться чтение с диска и вывод текста на экран монитора или на принтер. В многозадачной системе процессор переключается между программами, предоставляя каждой от десятков до сотен миллисекунд.

Операционной системе нужен способ создания и прерывания процессов по мере необходимости. Обычно при загрузке ОС создаются несколько процессов. Некоторые из них обеспечивают взаимодействие с пользователем и выполняют заданную работу. Остальные процессы являются фоновыми. Они не связаны с конкретными пользователями, но выполняют особые функции. Например, один фоновый процесс может обеспечивать вывод на печать, другой может обрабатывать запросы к web -страницам.

Процессы могут создаваться не только в момент загрузки системы. Так, текущий процесс может создать один или несколько новых процессов, при этом текущий процесс выполняет системный запрос на создание нового процесса. Создание новых процессов особенно полезно в тех случаях, когда выполняемую задачу проще всего сформировать как набор связанных, но независимо взаимодействующих процессов. Если необходимо организовать выборку большого количества данных из сети для дальнейшей обработки, удобно создать один процесс для выборки данных и размещения их в буфере, другой — для считывания и обработки данных из буфера. Такая схема

даже ускорит обработку данных, если каждый процесс запустить на отдельном процессоре в случае многопроцессорной системы.

Как правило, процессы завершаются по мере выполнения своей работы.. В текстовых редакторах, браузерах и других программах такого типа есть кнопка или пункт меню, с помощью которых можно завершить процесс.

Процесс является независимым объектом со своим счетчиком команд и внутренним состоянием, однако существует необходимость взаимодействия с другими процессами. Например, выходные данные одного процесса могут служить входными данными для другого процесса.

Модель процессов упрощает представление о внутреннем поведении системы. Некоторые процессы запускают программы, выполняющие команды, введенные с клавиатуры пользователем. Другие

процессы являются частью системы и обрабатывают такие задачи, как выполнение запросов файловой службы, управление запуском диска или магнитного накопителя.

Нижний уровень ОС — это планировщик — небольшая программа. На верхних уровнях расположены процессы. Обработка прерываний и процедуры, связанные с остановкой и запуском процессов, выполняются планировщиком. Вся остальная часть ОС структурирована в виде набора процессов.

Реализация модели процессов базируется на таблице процессов с одним элементом для каждого процесса. Элемент таблицы содержит информацию о состоянии процесса, счетчике команд, распределении памяти, состоянии открытых файлов, об указателе стека, использовании и распределении ресурсов, а также всю остальную информацию, которую необходимо сохранять при переключении в состояние готовности или блокировки для последующего запуска процесса, как если бы он не останавливался.

Потоки

В обычных ОС процесс определяется соответствующим адресным пространством и одиночным управляющим потоком. Но часто встречаются ситуации, когда в одном адресном пространстве предпочтительно иметь несколько квазипараллельных управляющих процессов.

Модель процесса базируется на двух независимых концепциях: группировании ресурсов и выполнении программы. Когда их разделяют, появляется понятие потока.

С одной стороны, процесс можно рассматривать как способ объединения родственных ресурсов в одну группу. У процесса есть адресное пространство, содержащее программу, данные и другие ресурсы. Ресурсами являются открытые файлы, дочерние процессы, аварийные необработанные сообщения, обработчики сигналов, учетная информация и многое другое. Гораздо проще управлять ресурсами, объединив их в форме процесса.

С другой стороны, процесс можно рассматривать как поток исполняемых команд. У потока есть счетчик команд, отслеживающий порядок выполнения действий. У него есть регистры, в которых хранятся текущие переменные. У него есть стек, содержащий протокол выполнения процесса, где на каждую вызванную процедуру отведена отдельная структура. Хотя поток протекает внутри процесса, следует различать концепции потока и процесса. Процессы используются для группирования ресурсов, а потоки являются объектами, поочередно исполняющимися на ЦП.

Концепция потоков добавляет к модели процесса возможность одновременного выполнения в одной и той же среде процесса нескольких достаточно независимых программ. Несколько потоков,

работающих параллельно в одном процессе, аналогичны нескольким процессам, идущим параллельно на одном компьютере. В первом случае потоки разделяют адресное пространство, открытые файлы и другие ресурсы. Во втором — процессы совместно пользуются физической памятью, дисками, принтерами и другими ресурсами. Потоки обладают некоторыми свойствами процессов, поэтому их иногда называют упрощенными процессами. Термин многопоточность также используется для описания использования нескольких потоков в одном процессе.

При запуске многопоточного процесса в системе с одним процессором потоки работают поочередно. Процессор быстро переключается между потоками, создавая впечатление параллельной работы потоков, даже не на очень быстром процессоре. Например, в случае трех потоков в одном процессе все потоки будут работать параллельно. Каждому потоку будет соответствовать виртуальный процессор с быстродействием, равным одной трети быстродействия реального процессора.

Почему же потоки так необходимы? Основной причиной является выполнение большинством приложений большого количества действий, некоторые из них могут время от времени блокироваться. Схему программы можно существенно упростить, если разбить приложение на несколько последовательных потоков, запущенных в квазипараллельном режиме.

При использовании потоков имеется также возможность совместного применения параллельными объектами одного адресного пространства и всех содержащихся в нем данных. Для некоторых приложений эта возможность является существенной. В таких случаях схема параллельных процессов с разными адресными пространствами не подходит.

В пользу потоков работает еще один аргумент — легкость их создания и уничтожения, так как с потоком не связаны никакие ресурсы. В большинстве систем на создание потока уходит примерно

в 100 раз меньше времени, чем на создание процесса. Это свойство особенно полезно при необходимости динамического и быстрого изменения числа потоков.

Третьим аргументом является производительность. Концепция потоков не дает увеличения производительности, если они ограничены возможностями процессора. Но когда имеется одновременная потребность в выполнении большого объема вычислений и операций ввода-вывода, наличие потоков позволяет совмещать эти процедуры во времени, увеличивая, тем самым, общую скорость работы приложения.

Концепция потоков полезна также в системах с несколькими процессорами, где возможен настоящий параллелизм.

Управление памятью

Память представляет собой важный ресурс, требующий тщательного управления, поскольку программы увеличиваются в размерах быстрее, чем память.

Память в компьютере имеет иерархическую структуру. Небольшая ее часть представляет собой очень быструю энергозависимую (теряющую информацию при выключении питания) кэш-память.

Компьютеры обладают также десятками мегабайт энергозависимой оперативной памяти ОЗУ ( RAM , Random Access Memory — память с произвольным доступом) и десятками или сотнями гигабайт медленного энергонезависимого пространства на жестком диске. Одной из задач ОС является координация использования всех этих составляющих памяти.

Часть операционной системы, отвечающая за управление памятью, называется модулем управления памятью или менеджером памяти. Менеджер следит за тем, какая часть памяти используется в данный момент, выделяет память процессам и по их завершении освобождает ресурсы, управляет обменом данных между ОЗУ и диском.

Самая простая схема управления памятью — однозадачная система без подкачки на диск — заключается в том, что в каждый момент времени работает только одна программа, и память разделяется между программами и операционной системой. Когда система организована таким образом, в каждый конкретный момент времени может работать только один процесс. Как только пользователь набирает команду, ОС копирует запрашиваемую программу с диска в память

и выполняет ее, а после окончания процесса выводит на экран символ приглашения и ждет новой команды. Получив команду, она загружает новую программу в память, записывая ее поверх предыдущей. Так работают компьютеры с операционной системой MS - DOS .

Большинство современных систем позволяет одновременный запуск нескольких процессов. Наличие нескольких процессов, работающих в один и тот же момент времени, означает, что когда один процесс приостановлен в ожидании завершения операции ввода-вывода, другой может использовать центральный процессор. Таким образом, многозадачность увеличивает загрузку процессора. На сетевых серверах всегда одновременно работают несколько процессов (для разных клиентов), но и большинство клиентских машин в наши дни также имеют эту возможность. Самый простой способ достижения многозадачности состоит в разбиении памяти на несколько, возможно, не

равных, разделов. Когда задание поступает в память, оно располагается во входной очереди к наименьшему разделу, достаточно большому для того, чтобы вместить это задание. Так как размер разделов неизменен, то все неиспользуемое работающим процессом пространство в разделе пропадает. Недостаток этого способа заключается в том, что к большому разделу очереди почти не бывает, а к маленьким разделам выстраивается довольно много задач. Небольшие задания должны ждать своей очереди, чтобы попасть в память, несмотря на то, что свободна основная часть памяти. Усовершенствованный способ заключается в организации одной общей очереди для всех

разделов. Как только раздел освобождается, задачу, находящуюся ближе к началу очереди и подходящую для выполнения в этом разделе, можно загрузить в него и начать ее обработку. С другой стороны, нежелательно тратить большие разделы на маленькие задачи, поэтому существует другая стратегия. Она заключается в том, что каждый раз после освобождения раздела происходит поиск в очереди наибольшего для этого раздела задания, и именно оно выбирается для обработки. Однако этот алгоритм отстраняет от обработки небольшие задачи, хотя необходимо предоставить для мелких задач лучшее обслуживание. Выходом из положения служит создание хотя бы одного маленького раздела, который позволит выполнять мелкие задания без долгого ожидания освобождения больших разделов. Другой подход предусматривает следующий алгоритм: задачу, которая имеет право быть выбранной для обработки, можно пропустить не более к раз. Когда задача пропускается, к счетчику добавляется единица. Если значение счетчика стало равным к, игнорировать задачу больше нельзя.

При использовании многозадачности повышается эффективность загрузки ЦП. Если средний процесс выполняет вычисления только 20 % от времени, которое он находится в памяти, то при обработке

пяти процессов ЦП должен быть загружен полностью. Реальная же ситуация предполагает, что все пять процессов никогда не ожидают завершения операции ввода-вывода одновременно.

Организация памяти в виде фиксированных разделов проста и эффективна для работы с пакетными системами. До тех пор, пока в памяти может храниться достаточное количество задач для обеспечения постоянной занятости ЦП, причин для усложнения алгоритма нет.

Однако совсем другая ситуация складывается с системами разделения времени или компьютерами, ориентированными на работу с графикой. Оперативной памяти иногда оказывается недостаточно для того, чтобы разместить все активные процессы, и тогда избыток процессов приходится хранить на диске, а для обработки переносить их в память.

Существуют два основных способа управления памятью, зависящие частично от доступного аппаратного обеспечения. Самая простая стратегия, называемая свопингом ( swapping ) или подкачкой, состоит в том, что каждый процесс полностью переносится в память, работает некоторое время и затем целиком возвращается на диск. Другая стратегия, носящая название виртуальной памяти, позволяет программам работать даже тогда, когда они только частично находятся в оперативной памяти.

Работа системы свопинга заключается в следующем. Пусть имеются 4 процесса — А, В, С, D . На начальной стадии в памяти находится только процесс А. Затем с течением времени создаются или загружаются с диска последовательно процессы В и С. В следующий момент процесс А выгружается на диск. Затем появляется процесс D , а процесс В завершается. Наконец, процесс А снова возвращается в память. Распределение памяти изменяется по мере того, как процессы поступают в память и покидают ее. Так как теперь процесс А имеет другое размещение в памяти, его адреса должны быть перенастроены или программно во время загрузки в память, или аппаратно во время выполнения программы.

Основная разница между фиксированными и изменяющимися разделами состоит в том, что во втором случае количество, размещение и размер разделов изменяются динамически по мере поступления и завершения процессов. Здесь нет ограничений, связанных с количеством разделов и их объемом. Это улучшает использование памяти, но значительно усложняет операции размещения процессов, освобождения памяти и отслеживание происходящих изменений.

Основная идея виртуальной памяти заключается в том, что объединенный размер программы, данных и стека может превысить количество доступной физической памяти. ОС хранит части программы, использующиеся в настоящий момент в оперативной памяти, остальные — на диске. Например, программа размером 16 Мбайт сможет работать на машине с 4 Мбайт памяти, если тщательно продумать, какие 4 Мбайт должны храниться в памяти в каждый момент времени. При этом части программы, находящиеся на диске и в памяти, будут меняться местами по мере необходимости.

Виртуальная память может также работать в многозадачной системе при одновременно находящихся в памяти частях многих программ. Когда программа ждет перемещения в память очередной своей

части, она находится в состоянии ввода-вывода и не может работать, поэтому ЦП может быть отдан другому процессу.